ANSYS结构非线性分析指南(一至三章

ANSYS结构非线性分析指南(一到三章)屈服准则概念：1.理想弹性材料物体发生弹性变形时，应力与应变完全成线性关系，并可假定它从弹性变形过渡到塑性变形是突然的。2.理想塑性材料（又称全塑性材料）材料发生塑性变形时不产生硬化的材料，这种材料在进入塑性状态之后，应力不再增加，也即在中性载荷时即可连续产生塑性变形。3.弹塑性材料在研究材料塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形的材料这里可分两种情况：.理想弹塑性材料在塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不再增加可连续产生塑性变形。.弹塑性硬化材料在塑性变形时，既要考虑塑性变形之前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料，这种材料在进入塑性状态后，如应力保持不变，则不能进一步变形。只有在应力不断增加，也即在加载条件下才能连续产生塑性变形。4.刚塑性材料在研究塑性变形时不考虑塑性变形之前的弹性变形。这又可分两种情况：.理想刚塑性材料在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。.刚塑性硬化材料在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化材料。屈服准则的条件：1.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。2.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。在一定的变形条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为f（ij）C又称为屈服函数，式中C是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。屈服准则是求解塑性成形问题必要的补充方程。1.1 什么是结构非线性 在日常生活中，经常会遇到结构非线性。例如，当用钉书针钉书时，金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状( 图1-1a )。如果你在一个木架上放置重物，随着时间的推移木架将越来越下垂( 图1-1b )。当在汽车或卡车上装载货物时，它的轮胎和下面路面间接触面将随货物重量而变化( 图1-1c )。如果将上述例子的载荷变形曲线画出来，用户将发现它们都显示了非线性结构的基本特征结构刚度改变。图1-1 结构非线性行为的常见例子 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态改变、几何非线性、材料非线性。1.1.1 状态变化(包括接触) 许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。例如，一根只能拉伸的电缆可能是松的，也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的，也可能是不接触的。冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化。状态改变也许和载荷直接有关(如在电缆情况中)， 也可能由某种外部原因引起(如在冻土中的紊乱热力学条件)。 接触是一种很普遍的非线性行为。接触是状态变化非线性中一个特殊而重要的子集。参见第五章。1.1.2 几何非线性 如果结构经受大变形，它几何形状的变化可能会引起结构的非线性响应。一个例子是 图1-2 所示的钓鱼杆。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。几何非线性的特点是大位移、大转动。图1-2 钓鱼杆体现的几何非线性1.1.3 材料非线性 非线性的应力应变关系是结构非线性行为的常见原因。许多因素可以影响材料的应力应变性质，包括加载历史(如在弹塑性响应情况下)、环境状况(如温度)、加载的时间总量(如在蠕变响应情况下)。1.2 非线性分析的基本知识1.2.1 方程求解 ANSYS程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应。然而，非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示。需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。一种近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。但是，纯粹的增量近似不可避免地要随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡，如 图1 - 3 （a） 所示。. （b）纯粹增量式解 （b）全牛顿拉普森迭代求解（2个载荷增量）图1-3 纯粹增量近似与牛顿拉普森近似。ANSYS程序通过使用牛顿拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。 图1 - 3 （b） 描述了在单自由度非线性分析中牛顿拉普森平衡迭代的使用。在每次求解前，NR方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值，然后使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。 ANSYS程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降、线性搜索、自动载荷步长及二分等，可被激活来加强问题的收敛性，如果不能得到收敛，那么程序或者继续计算下一个载荷步或者终止（依据你的指示）。 对某些物理意义上不稳定系统的非线性静态分析，如果你仅仅使用NR方法，正切刚度矩阵可能变为降秩短阵，导致严重的收敛问题。这样的情况包括独立实体从固定表面分离的静态接触分析、结构或者完全崩溃或者“突然通过”至另一个稳定形状的非线性屈曲问题。对这样的情况，可以激活另外一种迭代方法：弧长方法，来帮助稳定求解。弧长方法导致NR平衡迭代沿一段弧收敛，从而即使正切刚度矩阵的斜率为零或负值，也往往阻止发散。这种迭代方法以图形表示在 图 1 - 4 中。图1-4 传统的NR方法与弧长方法的比较分线性求解被分成三个操作级别：载荷步、子步、平衡迭代。 顶层级别由在一定“时间”范围内用户明确定义的载荷步组成，假定载荷在载荷步内线性地变化。见ANSYS Basic Analysis Guide2。 在每一个载荷时步内，为了逐步加载，可以控制程序来执行多次求解(子步或时间步)。 在每一个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解。 图 1-5 说明了一段用于非线性分析的典型的载荷历史。参见ANSYS Basic Analysis Guide2。图1-5 载荷步、子步及时间 当用户确定收敛准则时，ANSYS程序给出一系列的选择：可以将收敛检查建立在力、力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。 另外，每一个项目可以有不同的收敛容限值。对多自由度问题，还有收敛范数的选择。 当用户确定收敛准则时，应该总是选择以力(或力矩)为基础的准则，它提供了收敛的绝对量度。如果需要也可以位移为基础(或以转动为基础的)进行收敛检查，但是通常不单独使用它们。1.2.2 保守行为与非保守行为过程依赖性 如果通过外载输入系统的总能量当载荷移去时复原，我们说这个系统是保守的。如果能量被系统消耗(如由于塑性应变或滑动摩擦)，我们说系统是非保守的，一个非保守系统的例子如 图1-6 所示。图1-6 非保守(过程相关)过程 一个保守系统的分析是与过程无关的：通常可以任何顺序和以任何数目的增量加载而不影响最终结果。相反地，一个非保守系统的分析是过程相关的；必须紧紧跟随系统的实际加载历史，才能获得精确的结果。如果对于给定的载荷范围，可以有多于一个的解是有效的(如在跃变分析中)，这样的分析也可能是过程相关的。过程相关问题通常要求缓慢加载(也就是使用许多子步)到最终的载荷值。1.2.3 子步 当使用多个子步时，用户需要考虑精度和代价之间的平衡；更多的子步(也就是较小的时间步)通常导致较好的精度，但以增加运行时间为代价。ANSYS提供的自动时间步选项可用于这一目的。 用户可以激活自动时间步，以便根据需要调整时间步长，获得精度和代价之间的良好平衡。自动时间步激活ANSYS程序的二分功能。 二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法。无论何时只要平衡迭代收敛失败，二分法将把时间步长分成两半，然后从最后收敛的子步自动重启动。如果已二分的时间步再次收敛失败，二分法将再次分割时间步长然后重启动，持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长(由用户指定)。1.2.4 载荷和位移方向 当结构经历大变形时，应该考虑到载荷将发生了什么变化。在许多情况中，无论结构如何变形，施加在系统中的载荷保持恒定的方向。而在另一些情况中，力将改变方向，随着单元方向的改变而变化。 ANSYS程序根据所施加的载荷类型，可以模拟这两种情况。加速度和集中力将不管单元方向的改变，而保持它们最初的方向。表面载荷作用在变形单元表面的法向，且可被用来模拟“跟随”力。 图1-7 说明了方向不变的力和跟随力。 注意 在大变形分析中，结点坐标系方向不变。因此计算出的位移在最初的方向上输出。 图1-7 变形前后载荷方向1.2.5 非线性瞬态分析非线性瞬态分析方法，与线性静态分析方法相似：以荷载增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。静态和瞬态处理的主要不同是在瞬态过程分析中要激活时间积分效应。因此，在瞬态过程分析中，“时间”总是表示实际的时序。自动时间步长和二分特点同样也适用于瞬态过程分析。2.1 在ANSYS中执行非线性分析 ANSYS应用基于问题物理特性的自动求解控制方法，把各种非线性分析控制参数设置到合适的值。如果用户对这些设置不满意，还可以手工设置。下列命令的缺省设置已进行了优化处理：AUTOTS PRED MONITOR DELTIM NROPT NEQIT NSUBST TINTP SSTIF CNVTOL CUTCONTROL KBC LNSRCH OPNCONTROL EQSLV ARCLEN CDWRITE LSWRITE 这些命令及其设置在将在后面讨论。参见ANSYS Commands Reference。 如果用户选择自己的设置而不是ANSYS的缺省设置，或希望用以前版本的ANSYS的输入列表，则可用/ SOLU 模块的 SOLCONTROL ，OFF命令，或在/ BATCH 命令 后用/ CONFIG ，NLCONTROL，OFF命令。参见 SOLCONTROL 命令的详细描述。 ANSYS对下面的分析激活自动求解控制： 单场的非线性或瞬态结构以及固体力学分析，在求解自由度为UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的结合时； 单场的非线性或瞬态热分析，在求解自由度为TEMP时； 注意 - 本章后面讨论的求解控制对话框，不能对热分析做设置。用户必须应用标准的ANSYS求解命令或GUI来设置。 2.2 非线性静态分析步骤 尽管非线性分析比线性分析变得更加复杂，但处理基本相同。只是在非线形分析的过程中，添加了需要的非线形特性。 非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。如同任何静态分析，处理流程主要由以下主要步骤组成： 建模； 设置求解控制； 设置附加求解控制； 加载； 求解； 考察结果。2.2.1 建模 这一步对线性和非线性分析基本上是一样的，尽管非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，参考4材料非线性分析，和6.1单元非线性。如果模型中包含大应变效应，应力应变数据必须依据真实应力和真实(或对数)应变表示。参见ANSYS Modeling and Meshing Guide。 在ANSYS中建立了模型后，应该设置求解控制(分析类型、分析选项、荷载步等)选项，施加荷载，最后求解。非线性分析与线性分析的不同之处是，前者需要许多荷载增量，并且总是需要平衡迭代。下面讨论一般过程。参见本章的例子。2.2.2 设置求解控制 设置求解控制包括定义分析类型、设置分析的常用选项和指定荷载步选项。在做结构非线性静态分析时，可以应用求解控制对话框来设置。该对话框对许多非线性静态分析提供了缺省设置。这样，用户需要的设置降低到最少。求解控制框的缺省设置，基本上与2.1所述的自动求解控制的设置相同。由于求解控制对话框是非线性静态分析的推荐工具，我们在下面将详细论述，如用户不想用这个对话框(GUI：Main MenuSolution-Analysis Type-Soln Control)，可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单(GUI：Main Menu SolutionUnabridged Menuoption)。求解控制对话框的概况，见ANSYS Basic Analysis Guide3.11。 注意 - 对于非线性结构完全瞬态分析，建议应用求解控制对话框，但并不是必须如此，见2.3。 2.2.2.1 求解控制对话框进入 选择(GUI：Main MenuSolution-Analysis Type-Soln Control)进入求解控制对话框。下面几节将论述这个求解对话框中的内容。对于其详细说明，可以在相应标签下，按HELP按钮进入帮助系统。2.2.2.2 求解控制对话框-Basic标签 求解控制对话框共有五个标签，其中最基本的选项位于第一个标签上，其他标签依此提供更高级的控制。进入对话框后，缺省的标签就是 Basic标签。 Basic标签中的内容，提供了ANSYS分析所需要的最少设置。如果用户对Basic标签中的设置满意，就不必调整其他标签中的更高级的设置。在按OK按钮以后，设置才作用于ANSYS数据库，并关闭对话框。 可用的Basic标签选项见 表2-1 。按HELP可得更多的说明。表2-1选项 参见ANSYS Basic Analysis Guide指定分析类型 ANTYPE , NLGEOM 1.2.6.1 3.16控制时间设置，包括:荷载步末的时间 TIME , 自动时间步 AUTOTS ,一个荷载步中的子步数 NSUBST 或 DELTIM 2.4 2.7.1指定写入数据库中的结果数据 OUTRES 2.7.4 在非线性静态分析中的一些特殊考虑如下： 1、在设置 ANTYPE 和 NLGEOM 时，如果是执行新的分析，选择Large Displacement Static，但要记住并不是所有的非线性分析都产生大变形，见3。如果想重启动一个已失败的非线性分析，选择Restart Gurrent Analysis。在第1荷载步以后(即在首次运行 SOLVE 命令后)，用户不能改变这个设置。通常用户要作一个新的分析，而不是重启动分析。重启动分析的讨论见ANSYS Basic Analysis Guide。 2、在进行时间设置时，记住这些选项可在任何荷载步改变。参见ANSYS Basic Analysis Guide2。高级的时间/频率选项，参见2.2.2.8。非线性分析要求在一个时间步上有多个子步，以使ANSYS能够逐渐地施加荷载，并取得精确解。 NSUBST 和 DELTIM 命令产生相同的效果(建立荷载步的开始、最小和最大时间步)，但互为倒数。 NSUBST 定义一个荷载步上的子步数，而 DECTIM 显式地定义时间步大小。如果自动时间步 AUTOTS 关闭，则起始子步大小用于整个荷载步。 3、 OUTRES 控制结果文件(Jobname.RST)中的数据。缺省时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。结果文件只能写入1000个结果集(子步)，但用户可以用 / CONFIG ，NRES 命令来增大这一限值，参见ANSYS Basic Analysis Guide。2.2.2.3 求解控制对话框-Transient标签 这个标签的内容是瞬态分析控制，只有在Basic标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，否则呈灰色。所以在这里不论述，参见2.3。2.2.2.4 求解控制对话框-Soln Options标签 这个标签设置的选项见 表2-2 。按本标签的HELP可得到更多的说明。表2-2选项 参见指定方程求解器 EQSLV 2.2.2.7.1 ANSYS Basic Analysis Guide3.2-3.10对多重启动指定参数 RESCONTROL ANSYS Basic Analysis Guide3.16.22.2.2.5 求解控制对话框-Nonlinear标签 用Nonlinear标签设置的选项见 表2-3 。按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。表2-3选项参见激活线性搜索 LNSRCH 2.2.2.8.5 2.4激活自由度求解预测 PRED 2.2.2.8.4指定一个荷载步中的最大子步数 NEQIT 2.2.2.8.3指定是否需要包括蠕变计算 RATE 4.4 2.2.3.2.1设置收敛准则 CNVTOL 2.2.2.8.2控制二分 CUTCONTROL 2.2.2.8.62.2.2.6 求解控制对话框-Advanced NL标签 用 Advanced NL 标签设置的选项见 表2-4 。按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。表2-4选项参见 指定分析终止准则 NCNV 2.2.2.8.3激活和终止弧长法的控制 ARCLEN , ARCTRM 2.4 ANSYS Basic Analysis Guide22.2.2.7 求解控制对话框-设置其他高级分析选项2.2.2.7.1 方程求解器 ANSYS的自动求解控制在大多数情况下，激活稀疏矩阵直接求解器( EQSLV ，SPARSE)。这是缺省的求解器，除了在子结构分析的生成步骤外(这时用波前直接求解器)。其他选项包括波前直接求解器和PCG求解器。对于实体单元(如SOLID92或SOLID45)，使用PCG求解器可能更快，尤其是在三维模型中。 如果用户采用PCG求解器，可以考虑用 MSAVE 命令降低内存应用。 MSAVE 命令对于线性材料特性的SOLID92单元，触发单元方法。为了应用这一命令，必须是小应变( NLGEOM ,OFF)静力或完全瞬态分析。模型中不符合上述条件的其他部分，应用总体集成刚度矩阵来求解。对于符合上述条件的模型部分，用 MSAVE ,ON 可能可节省70%的内存，但求解时间可能增加，这与计算机的配置和CPU速度有关。 与ANSYS中的迭代求解器不同，稀疏矩阵求解器是一个强大的求解器。虽然PCG求解器能够求解不定矩阵方程，但在它碰到一个病态矩阵时，如果不能收敛，求解器将迭代至指定的迭代次数后停止迭代。在发生这种问题时，它触发二分。在完成二分后，如果矩阵是良态的，求解器继续求解。最后整个非线性荷载步可以得到求解。 在结构非线性分析中，选择稀疏矩阵求解器，还是选择PCG求解器，可参照下面的建议： 1、如果是梁、壳或者梁、壳、实体结构，选择稀疏矩阵求解器； 2、如果是三维结构，而且自由度数相对较大(个自由度或以上)，选择PCG求解器； 3、如果问题是病态(由不良单元形状引起)，或在模型的不同区域材料特性相差巨大，或者位移边界条件不足，选择稀疏矩阵求解器。2.2.2.8 求解控制对话框-设置其他高级荷载步选项2.2.2.8.1 自动时间步 ANSYS的自动求解控制打开自动时间步长 AUTOTS ，ON。这一选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步(子步)长。 在一个时间步的求解完成后，下一个时间步长的大小基于四种因素预计： 在最近过去的时间步中使用的平衡迭代的数目(更多次的迭代成为时间步长减小的原因)； 对非线性单元状态改变预测(当状态改变临近时减小时间步长)； 塑性应变增加的大小； 蠕变增加的大小。2.2.2.8.2 收敛准则 程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则 CNVTOL (或者直到达到允许的平衡迭代的最大次数 NEQIT 。如果缺省的收敛准则不满意，可以自己定义收敛准则。 ANSYS的自动求解控制应用等于0.5%的力(或力矩)的L2-范数容限(TOLER)，这对于大部分情况合适。在大多数情况下，除了进行力范数的检查外，还进行TOLER等于5%的位移L2-范数的检查。 缺省时，程序将通过比较不平衡力的平方和的平方根（SRSS）与VALUETOLER的值来检查力(在包括转动自由度时，还有力矩)的收敛。 VALUE 的缺省值是所加载荷(或在施加位移时，Netwton-Raphson回复力)的SRSS，或 MINREF (其缺省为0.001)，取较大者。如果 SOLCONTROL ，OFF，则对于力的收敛， TOLER 的缺省值是0.001，而 MINREF 的缺省为1.0。 用户应当几乎总是使用力收敛检查。可以添加位移(或者转动)收敛检查。对于位移，程序将收敛检查建立在当前(i)和前面(i-1)次迭代之间的位移改变(u)上，u =u i -u i-1 。 注意 如果用户明确地定义了任何收敛准则 CNVTOL ，缺省准则将失效。因此，如果用户定义了位移收敛检查，用户将不得不再定义力收敛检查(使用多个 CNVTOL 命令来定义多个收敛准则)。 使用严格的收敛准则将提高用户的结果的精度，但以更多次的平衡迭代为代价。如果用户想紧缩(或放松但不推荐)收敛准则，用户应当改变 TOLER 一到两个数量级。一般地，用户应当继续使用VALUE的缺省值；也就是，通过调整TOLER，而不是VALUE，来改变收敛准则。用户应当确保MINREF=0.001的缺省值在用户的分析范围内有意义。如果应用某一单位系统，使荷载变得十分小，可能需要指定较小的MINREF值。 在非线性分析中，不推荐把两个或多个不相连的结构放在一起分析，因为收敛检查试图把这些彼此不相连的结构联系起来，通常会产生不希望的残余力。在单一和多自由度系统中检查收敛 要在单自由度系统中检查收敛，用户对这一个自由度计算出不平衡力，然后将这个值与给定的收敛准则(VALUETOLER)比较 (同样也可以对单自由度的位移或旋转收敛进行类似的检查)。然而，在多自由度系统中，用户也许想使用不同的比较方法。 ANSYS程序提供三种不同的矢量范数用于收敛检查： 无穷范数在用户模型中的每一个自由度处重复单自由度检查； L1范数将收敛准则同所有自由度的不平衡力(或力矩)的绝对值的总和相比较； L2范数使用所有自由度不平衡力(或力矩)的SRSS进行收敛检查。当然，对于位移收敛检查，可以执行附加的L1、L2检查。实例 对于下面例子，如果不平衡力(在每一个自由度处单独检查)小于或等于50000.0005(也就是2.5)，且如果位移的改变(以SRSS检查)小于或等于100.001(也就是0.01)，子步将认为是收敛的。 CNVTOL，F，5000，0.0005，0 CNVTOL，U，10，0.001，22.2.2.8.3 平衡迭代的最大次数 ANSYS的自动求解控制把NEQIT的值，根据问题的物理特性，设置为15到26次平衡迭代。应用小时间步，可减少二次收敛迭代次数。 这个选项限制了一个子步中进行的最大平衡迭代次数(如关闭求解控制，缺省=25)。如果在这个平衡迭代次数之内不能满足收敛准则，且如果自动步长是打开的 AUTOTS ，分析将尝试使用二分法。如果二分法是不可能的，那么，分析将或者终止，或者进行下一个载荷步，依据用户在 NCNV 命令中发出的指示。2.2.2.8.4 预测修正选项 如不存在梁或壳单元，ANSYS的自动求解控制设置 PRED ，ON。如果当前子步的步长大大减小，PRED将关闭。对于瞬态分析，将关闭预测选项。 对于每一个子步的第一次平衡迭代，用户可以激活自由度求解的预测。这个特点将加速收敛，且如果非线性响应是相对平滑的，它特别的有用。在包含大转动或粘弹的分析中它并不是非常有用。在大转动分析中，预测可能引起发散，因而不推荐使用。2.2.2.8.5 线性搜索选项 ANSYS的自动求解控制，将根据需要关闭或打开线性搜索。对大多数接触问题， LNSRCH 打开。对大多数非接触问题， LNSRCH 关闭。 这个收敛增强工具用程序计算出的比例因子(具有0和1之间的值)乘以计算出的位移增量。因为线性搜索算法是用来对自适应下降选项 NROPT 进行的替代，如果线性搜索选项是开，自适应下降不被自动激活。不建议用户同时激活线性搜索和自适应下降。 当存在强制位移时，只有至少有一次迭代的线性搜索值为1，计算才可以收敛。ANSYS调节整个U矢量，包括强制位移值，否则，除了强制自由度处以外，一个小的位移值将随处发生。直到迭代中的某一次具有1的线性搜索值，ANSYS才施加全部位移值。2.2.2.8.6 步长缩减准则 为了更好地控制时间步长上的二分和缩减，应用 CUTCONTROL ， Lab ,VALUE,Option。缺省时，对于 Lab =PLSLIMIT(最大塑性应变增量极限)，VALUE设置为15%。设这么大的值，是为避免由高塑性应变引起的不必要的二分，因为高塑性应变可能是由用户并不感兴趣的局部奇异引起。对于显式蠕变(Option=0),Lab=CRPLIM(蠕变增量极限)，VALUE设置为10%。这对蠕变分析是一个合理的极限。对于隐式蠕变(Option=1),缺省为无最大蠕变准则。但是用户可以指定蠕变率控制。对于二阶动力方程，每个周期的点数(Lab=NPOINT)，缺省为VALUE=13，这样可以很小的代价获得有效精度。2.2.3 设置附加求解选项 本节论述的选项，不出现在求解对话框中。这些选项的缺省值，一般很少需要改变。2.2.3.1 求解控制对话框不能设置的高级分析选项2.2.3.1.1 应力刚化效应 为了考虑屈曲、分叉行为，ANSYS在所有几何非线性分析中，包括了应力刚化。如果用户有信心放弃这种效应，则可以关闭应力刚化效应( SSTIF ，OFF)。在一些单元中，这个命令无作用，见ANSYS Elements Reference。 命令： SSTIF GUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options2.2.3.1.2 牛顿拉普森选项 在存在非线性时，ANSYS的自动求解控制将应用自适应下降关闭的完全牛顿拉普森选项。但在应用点-点，点-面接触单元的摩擦接触分析中，自适应下降功能是自动打开的（如CONTAC12、CONTAC48、CONTAC49、CONTAC52单元）。下伏接触单元需要自适应下降才能收敛。 命令： NROPT GUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options 仅在非线性分析中使用这个选项。这个选项指定在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵。如果用户不想采用缺省值，可以指定这些值中的一个： 程序选择( NROPT ,ANTO)：程序基于用户模型中存在的非线性种类选用这些选项中的一个。需要时牛顿拉普森方法将自动激活自适应下降。 完全牛顿拉普森法( NROPT ,FULL)；程序使用完全的牛顿拉普森方法。在这种处理方法中，每进行一次平衡迭代，就修改刚度矩阵一次。 如果自适应下降是打开(可选)，只要迭代保持稳定(也就是只要残余项减小，且没有负主对角线出现)，程序将仅使用正切刚度阵。如果在一次迭代中探测到发散倾向，程序抛弃发散的迭代且重新开始求解，应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。当迭代回到收敛模式时，程序将重新开始使用正切刚度矩阵。对复杂的非线性问题自适应下降通常将提高程序获得收敛的能力，但它只支持ANSYS Element Reference中由单元输入汇总表中的“Special Features”指明的单元(见ANSYS Element Reference表4.n.1，其中n为单元编号)。 修正的牛顿拉普森法( NROPT ,MODI)：使用修正的牛顿拉普森方法。在这种方法中，正切刚度矩阵在每一子步中都被修正。在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。这个选项不适用于大变形分析。自适应下降不可用。 初始刚度牛顿拉普森法( NROPT ,INIT)：在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵。这一选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛。它不适用于大变形分析。自适应下降不可用。 不对称矩阵完全牛顿拉普森方法 ( NROPT ,UNSYM)：应用完全牛顿拉普森方法，刚度矩阵在每一次平衡迭代中都修正。此外，它生成并使用在下面任何一种情况中可以应用的不对称矩阵： 如用户在运行压力产生的破坏分析，不对称的压力荷载刚度可能有助于取得收敛。可应用 SOLCONTROL ,INCP 命令来包括荷载刚度。 如果应用 TB ,USER 命令定义不对称材料模型，则需要用 NROPT ,UNSYM 命令来充分应用所定义的特性。 如进行接触分析，不对称接触刚度矩阵可以完全地耦合滑动和法向刚度。见5.4。用户应首先试验 NROPT ,FULL 命令；然后如果收敛困难的话，再试验 NROPT ,UNSYM 命令。注意，应用不对称求解器需要比对称求解器更多的计算机时间。 如果模型有多态单元，则将在状态改变时进行叠代修正，而不管牛顿拉普森选项设置如何。2.2.3.2 求解控制对话框不能设置的高级荷载步选项2.2.3.2.1 蠕变准则 如果结构表现出蠕变行为，可以指定蠕变准则用于自动时间步调整 CRPLIM , CRCR , Option (如果自动时间步长 AUTOTS 关闭，蠕变准则无效)。程序将对所有单元计算蠕应变增量(在最近时间步中蠕变的变化 cr )对弹性应变 el 的比值。如果最大比值比判据 CRCR 大，程序将减小下一个时间步长；如果小，程序或许增加下一个时间步长(同样，程序将把自动时间步长建立在平衡迭代次数、即将发生的单元状态改变以及塑性应变增量的基础上。时间步长将被调整到对应这些项目中的任何一个所计算出的最小值)。对于显式蠕变( OPTION =0)，如果比值 cr/ el 高于0.25的稳定界限，且如果时间增量不能被减小，解可能发散且分析将由于错误信息而终止。这个问题可以通过使最小时间步长足够小来避免 DELTIM 和 NSUBST 。对于隐式蠕变( OPTION =1)，缺省无最大蠕变极限，但用户可以指定任意的蠕变率控制。 命令： CRPLIM GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts- NonlinearCreep Criterion 注意 -如果在分析中不需要包括蠕变效应，则应用 RATE 命令及 Option=OFF，或把时间步设置成比前一个时间步长些，但不大于1.0e-6。2.2.3.2.2 时间步开放控制 这个选项可用于热分析(记住用户不能通过求解控制对话框来设置热分析选项，必须用ANSYS标准命令集或相应菜单来设置)。这个选项的主要应用是最终温度达到稳态的非稳态热分析。在这种情况下，时间步可很快开放。其缺省值是，如果TEMP增量在三个连续子步中小于0.1(NUMSTEP=3)，则时间步大小可以为“开放”(缺省值=0.1)。然后时间步被连续增加以加快求解效率，。 命令： OPNCONTROL GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts- NonlinearOpen Control2.2.3.2.3 求解监视 这个选项为监视指定节点上的指定自由度的求解值提供了方便。这个命令为用户快速观察求解收敛效率提供了可能，而不必通过冗长的输出文件来取得这些信息。例如，在一个子步上尝试次数过大，这个文件包含的信息将提供指示：要么降低初始时间步，要么增加最小的子步数，这可通过 NSUBST 命令来避免二分次数过多。 命令： MONITOR GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-NonlinearMonitor2.2.3.2.4 激活和杀死选项 根据需要指定“生”、“死”选项。对选定的单元，可以“杀死” EKILL 和“激活” EALIVE ，以模拟在结构中移走或添加材料。作为标准的“生”、“死”方法以外的另一个方法，用户可以对所选择的单元在荷载步之间改变材料特性 MPCHG 。 命令： EKILL EALIVE GUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherKill Elements Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherActivate Elem 程序通过用一个非常小的数(它由 ESTIF 命令设置)乘以它的刚度并从总质量矩阵消去它的质量来“杀死”一个单元。对杀死单元的单元载荷(压力、热通量、热应变等等)同样地设置为零。用户需要在前处理中定义所有可能的单元，用户不可能在 SOLUTION 中产生新的单元。要在用户的分析的后面阶段中“激活”的那些单元，在第一个载荷步前应当被“杀死”，然后在适当的载荷步的开始被重新“激活”。当单元被重新“激活”时，它们具有零应变状态，且(如果 NLGEOM ,ON )它们的几何构形(长度、面积等等) 被修改来与它们现在变形后的位置相适应。参见ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide。另一个在求解过程中影响单元行为的方法是修改选定单元的材料特性： 命令： MPCHG GUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherChange Mat PropsChange Mat Num 注意 -应用 MPCHG 是要注意。在求解期间改变它的材料性质参考号，可能产生不希望的结果，特别是如果用户改变材料非线性特性 TB 。2.2.3.2.5 输出控制选项 除了可以通过求解控制对话框可以设置的 OUTRES 外，用户还可以设置其他输出选项。 命令： OUTPR ERESX GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-Output CtrlsIntegration Pt 打印输出选项 OUTPR 可在输出文件( Jobname . OUT )中包括所想要的任何结果数据。 结果外推 ERESX 拷贝一个单元的积分点应力和弹性应变结果到结点来替代外推，如果在单元中存在非线性(塑性、蠕变、膨胀)的话。积分点非线性应变总是被拷贝到结点。 参见ANSYS Basic Analysis Guide2。2.2.4 施加荷载 在这一步把荷载施加到模型中，参见ANSYS Basic Analysis Guide2。记住惯性荷载和点荷载将保持方向不变，但表面荷载在大变形分析中将跟随结构的变形而变化。用户可以定义一维数据表(TABLE类型的数组参数)来施加复杂边界条件。2.2.5 求解1、把数据库保存为一个文件。命令： SAVE GUI：Utility MenuFileSave as2、求解命令： SOLVE GUI：Main MenuSolution-Solve-Current LS3、如用户定义了多个荷载步，则必须指定时间设置、荷载步选项等，然后保存和求解每个附加的荷载步。参见ANSYS Basic Analysis Guide。4、退出求解器命令： FINISH GUI：关闭求解菜单2.2.6 考察结果 非线性静态分析的结果，主要由位移、应力、应变以及反作用力组成。可以用通用后处理器POST1，或者时间历程后处理器POST26，来考察这些结果。 记住用POST1一次仅可以读取一个子步，且来自那个子步的结果应当已被写入 Jobname.RST 。(载荷步选项命令 OUTRES 控制哪一个子步的结果被存储入 Jobname.RST )。典型的POST1后处理顺序将在下面描述。2.2.6.1 要记住的要点 用POST1考察结果，数据库中的模型必须与用于求解计算的模型相同。 结果文件( Jobname.RST )必须是可用的。2.2.6.2 用POST1考察结果 1、检查用户的输出文件( Jobname.OUT )是否在所有的子步分析都收敛。 如果不收敛，用户可能不想进行后处理，而是想确定为什么收敛失败。 如果用户的解收敛，那么继续进行后处理。 2、进入POST1。如果用于求解的模型现在不在数据库中，发出 RESUME 命令。命令：/ POST1 GUI：Main MenuGeneral Postproc 3、读取需要的载荷步和子步结果，这可以依据载荷步和子步号或者时间来识别，然而不能依据时间来识别出弧长法结果。命令： SET GUI：Main MennGeneral PostprocRead Results-Load step 同样地用户可以使用 SUBSET 或者 APPEND 命令来只对选出的部分模型读取或者合并结果数据。这些命令中的任何一个中的 LIST 参数列出结果文件中可用的解。用户同样地可以通过 INRES 命令限制从结果文件到基本数据被写的数据总量。另外可以用 ETABLE 命令对选出的单元进行后处理，见ANSYS Commands Reference 警告 ：如果用户指定了一个没有结果可用的TIME值，ANSYS程序将进行线性内插来计算出那Time处的结果。认识到在非线分析中这种线性内插通常将导致某些精度损失(参看 图2-1 )。因此，对于非线性分析，通常用户应当在一个精确地对应于要求子步的TIME处进行后处理。图2-1 非线性结果的线性内插可能引起某些误差 4、使用下列任意选项显示结果 1)显示已变形的形状 命令： PLDISP GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shapes 在大变形分析中，一般优先使用真实比例显示 DSCALE ，1。 2)等值线显示 命令： PLNSOL 或 PLESOL GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot- Nodal Solu 或 Element Solu 使用这些选项来显示应力、应变或者任何其它可用项目的等值线。如果邻接的单元具有不同材料行为(可能由于塑性或多线性弹性的材料性质，由于不同的材料类型，或者由于邻近的单元的死活属性不同而产生)，用户应当注意避免结果中的结点应力平均错误。 PLNSOL 和 PLESOL 命令的 KUND 域使用户可以在原始图形上叠加变形图。 同样地用户可以绘制单元表数据和线单元数据的等值线： 命令： PLETAB ， PLLS GUIS：Main MenuGeneral PostprocElement TablePlot Element Table Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Line Elem Res 使用 PLETAB 命令来绘制单元表数据的等值线，用 PLLS 命令来绘制线单元数据的等值线。 3)列表 命令： PRNS